S-TouchTM 静電容量式タッチ コントローラ PCB レイアウト ガイド

S-TouchTM 静電容量式タッチ コントローラ PCB レイアウト ガイド

このアプリケーション ガイドの目的は、S-TouchTM 静電容量式タッチ センシング設計で使用されるさまざまな PCB (プリント基板) (FR4、フレキシブル PCB、ITO パネルなど) の構造とレイアウトに関する設計レイアウト ガイダンスを提供することです。

FR4 は、市場で入手可能な最も一般的に使用される PCB 基板です。 FR4 はガラス繊維強化エポキシ樹脂ラミネートで、PCB は単層または多層にすることができます。

タッチモジュールのサイズが制限されている場合、常に単層 PCB を使用できるとは限りません。 通常、4 層または 2 層の PCB が使用されます。 最も一般的に使用される 2 層 PCB を例として、PCB レイアウトのガイドラインを紹介します。

PCB の設計とレイアウト

2 層 PCB では、S-TouchTM タッチ コントローラーとその他のコンポーネントが PCB の最下層に配置され、センサー電極が PCB の最上層に配置されます。

各センサー チャネルに必要な同調整合コンデンサは、センサー電極の最下層に直接配置できます。 S-TouchTM タッチ コントローラは最下層に配置され、対応する最上層にはセンサー電極が配置されていないことを確認する必要があります。 上層と下層の空白領域は、メッシュ接地銅箔で埋めることができます。

設計規則

1階（最上階）

● センサ電極は PCB の最上層に配置されています (PCB の上端はクラッド プレートで固定されています)。 感度を向上させるために、10 x 10mm のサイズの誘導電極を使用することをお勧めします。 より小さいサイズの検出電極を使用できますが、感度は低下します。 また、検出電極のサイズが 15 x 15 mm を超えないようにすることをお勧めします。 検出電極がこのサイズを超えると、感度が低下するだけでなく、ノイズの影響を受けやすくなります。

● ブランク領域は接地銅箔で埋めることができます (トレース幅は 6 ミル、グリッド サイズは 30 ミル)。

● 最上層は、共通の信号トレース (センサー信号トレースを除く) を配置するために使用できます。 センサー信号トレースは、可能な限り最下層に配置する必要があります。

● 誘導電極と接地用銅箔の距離は 0.75 mm 以上としてください。

2階（グラウンドフロア）

● S-TouchTM コントローラーやその他の受動部品は、下部に設計および配置する必要があります。

● センサー信号トレースは最下層に配置されます。 1 つのチャネルのセンサー信号トレースを、他のセンシング チャネルのセンシング電極の下に配置しないでください。

● ブランク領域は接地銅箔で埋めることができます (トレース幅は 6 ミル、グリッド サイズは 30 ミル)。

● センサー信号トレースと接地用銅箔の間の距離は、センサー信号トレースの幅の少なくとも 2 倍にする必要があります。

● クロストークを低減するために、2 つの検出電極/検出信号トレース間の距離をできるだけ大きくする必要があります。 可能であれば、2 つの検出電極/検出信号トレースの間に接地銅箔を追加します。

● センサー信号トレースの長さは完全に等しい必要はありません。 整合同調コンデンサを使用しているため、2チャンネル間の入力容量を完全にバランスさせることができます。 ただし、PCB スペースが許す場合は、同じ長さのセンサー信号トレースを使用することをお勧めします (センサー電極の寸法も均一です)。 このように、すべてのセンシング チャネルのセンサー リアクタンス値をコントローラーによって引き起こされるダイナミック レンジに調整するために必要なのは、標準のリファレンス コンデンサーを設定することだけであり、これにより設計の困難さが軽減されます。

● クロック、データ、または周期信号のトレースは、センサーの信号トレースに隣接して平行に配置してはなりません。 これらの信号線は、センサーの信号トレースに対してできるだけ垂直にするか、PCB の他の領域に配置する必要があります。

● クロック、データ、または任意の周期信号のトレースをセンサーの信号トレースと平行に配置する必要がある場合は、重ならないように異なるレイヤーに配置し、信号トレースの平行部分の長さを短くする必要があります。 できるだけ。

接地銅箔

前に紹介した 2 層の FR4 PCB では、接地銅箔を使用して PCB の空白部分を埋めています。 接地銅箔は、外部ノイズ源からタッチ モジュールをシールドし、センサー回路の固有静電容量を安定させるのに役立ちます。

ただし、接地銅箔を使用する場合は、事前にいくつかの問題に注意する必要があります。 これは、銅箔を接地するとセンサーの固有静電容量が増加し、水滴による誤検出の可能性も増加するためです。

接地銅箔設計ガイド:

● ベタ接地銅箔の代わりに、メッシュ接地銅箔を使用することをお勧めします。 20% メッシュの接地銅箔を使用することをお勧めします (トレース幅は 6 ミル、グリッド サイズは 30 ミル)。 接地用銅箔の角度は 45°に設定してください。

● センサと接地用銅箔の距離は 0.5 mm 以上必要で、0.75 mm を推奨します。

● センサー信号トレースと接地銅箔の間のギャップは、少なくともトレース幅の 2 倍にする必要があります。

● 4 層 PCB の場合、3 番目の層に配置されたセンサー信号トレースが 10 cm を超える場合、長いトレースの容量性負荷を最小限に抑えるために、最下層に接地銅箔を配置しないことをお勧めします。

● クラッド板に導電性材料を使用する場合は、最上層にアース用銅箔を敷かないことをお勧めします。

● 容量性誘導システムが湿度の高い環境で動作する必要がある場合は、上部に接地銅箔を置かないことをお勧めします。

センサーの基本機能説明とガイド

静電容量センサー電極は、指の静電容量を測定するために使用される導電性電極板を指します。 S-TouchTM コントローラのセンシングチャンネルの入力に接続されています。 センサー電極は、さまざまな機能や用途に合わせて、さまざまな幾何学的形状やサイズに加工できます。

タッチキー

タッチ ボタンの基本的な機能は、指が触れているかどうかを検出することです。 S-TouchTM コントローラは、タッチ キーのセンシング電極の静電容量を測定できます。 指がタッチ ボタンに近づくと、測定された静電容量が事前設定されたしきい値を超えて変化すると、指のタッチが検出されます。

タッチキーは、正方形、円形、三角形、またはその他の形状など、さまざまな形状に設計できます。 PCB のサイズが限られている場合、設計されたボタンの形状はスペースを最大限に利用して最高の感度を提供する必要があります。

2 ～ 3 mm のアクリル プラスチック シェルで覆われたアプリケーションの場合、最小サイズが 10 x 10 mm の正方形の検出電極が推奨されます。 最大サイズが 15 x 15 mm を超えないようにすることをお勧めします。 これを超えると感度が上がらないだけでなく、ノイズ感受性が高くなります。

タッチスライダー

タッチスライダーの基本的な機能は、指の1次元方向のスライド位置を検出することです。

タッチ スライダーの典型的なアプリケーションの 1 つは、ボリューム コントロールです。 タッチ スライダーを実装するには、タッチ ステータス スライダーとプロポーション メータリング スライダーの 2 つの方法を使用できます。

タッチ ステータス スライダーを設計するために、正方形のタッチ ボタンを密に配置することができます。

センシング チャネルが開いていることが検出されると、タッチ スライダ上の指の位置を特定できます。 上記の例では、5 つのセンサーを使用して 9 つの位置を検出します。 S1 チャンネルと S2 チャンネルの両方が同時にオンになっている場合は、指の位置が 2 の位置にあることを意味します。

2 ～ 3 mm のアクリル プラスチック シェルで覆われた用途では、最小サイズが 10 x 10 mm の検出電極を使用することをお勧めします。 スライディング ストリップ センサー間の推奨クリアランスは 0.75 mm です。 隣接する 2 つの検出電極間のギャップは 1mm を超えてはなりません。 これは、指が隙間に入ったときに両方のセンサー チャネルを同時に開くことができるようにするためです。

タッチ状態スライダーの利点は、シンプルなデザインとノイズの多い環境での高い安定性です。 ただし、多数の場所が必要な場合、必要なセンサー チャネルが多すぎるため、この方法は実装できません。

もう 1 つの方法は、比例測光スライダーを使用することです。 この方法は、各センサー チャネルでタッチ状態を検出することによって実現されるのではなく、各センサー チャネルによって測定された正確な静電容量の変化に従って指の位置を決定することによって実現されます。 各センシング チャネルの正確な静電容量の変化を測定した後、比例計算によって指の正確な位置を決定できます。

上記の位置に指で触れると、3 つのセンシング チャネル電極の静電容量が増加します。 指のカバー範囲が異なるため、各センサーの追加静電容量は異なります。 次に、センサーの元の静電容量データを処理することにより、スライダー上の指の絶対位置を取得できます。

タッチスピナー

スライダーと同様に、タッチ ローテーターもタッチ状態と比例測定法に基づいています。

タッチ状態法を使用するローテータは、各センシング チャネルの状態をチェックすることによって指の位置を決定します。 比例測定法の回転子を使用して、指のタッチにより増加した各センシング チャネルの正確な静電容量を測定することにより、指の位置を決定します。 指がローテーター上を転がると、いくつかの感知チャネルの静電容量が増加します。 次に、これらの検出チャネルによって追加された静電容量値を計算することにより、指のタッチの正確な位置を計算できます。

指タッチ検出用のタッチ ローテータの安定性は、必要な解像度とセンシング チャネルの数によって異なります。 高解像度のタッチ ローテータの場合、3 つのセンシング チャネルだけでなく、より多くのセンシング チャネルが必要になる場合があります。

その他の考慮事項

これらの基本的な設計ガイドラインに従った PCB 設計とレイアウトは、容量性誘導アプリケーションの信頼性を高めることができます。 PCB 設計では、次のような他の重要な要因を考慮する必要があります。

● PCB にはフロート/ポール プレートがありません。 PCB のブランク領域は、接地銅箔で埋めるか、ブランクのままにすることができます。

● PCB ボードは、20 pF 未満の基準静電容量値を要求するように設計され (基準静電容量値はハードウェア調整時に決定されます)、各チャネルの固有静電容量は 10 pF 未満でなければなりません。 この値よりも大きい場合は、接地銅箔の密度を下げる、誘導入力トレース/電極と接地銅箔の間の距離を広げる、センサーの幅を狭くするなど、いくつかの基本的なレイアウトを変更する必要があります。 信号トレース、または接地銅箔を取り除くことさえできます。 誘導性入力容量の最大値が 10 pF を超える場合は、マッチング設定のために調整容量が必要です。

● 各誘導チャネル間の固有静電容量の差を 10 pF 以内に制御するようにしてください (この差は、ハードウェア調整中に測定できます)。 10 pF を超える場合は、配線長とセンサ電極サイズのミスマッチを少なくし、その差を最小限に抑えるように再レイアウトする必要があります。

● I2C SDA および SCL ラインに直列抵抗を取り付けて、メインボードとタッチ モジュールを接続するハーネスによって引き起こされるノイズ干渉、または I2C 信号の歪みを引き起こす可能性のある電源ノイズからの干渉をフィルタリングします。この目的 アプリケーション ガイドは、S-TouchTM 静電容量式タッチ センシング設計で使用されるさまざまな PCB の構造とレイアウトに関する設計レイアウト ガイダンスを提供することを目的としています。